CN208805546U - 一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置，本装置利用高速模拟开关将电场测量探头各极板间的感应电压调制成交流信号，无需经过探头做旋转、震动机械运动，依靠模拟开关即可将直流信号电调制为交流信号，采用高速模拟开关消除了后续电路零漂和及间耦合等问题，实现直流电场的测量。采用高速模拟开关可以快速实现链路切换、无机械触点、使用寿命长、具有易于制作、成本低廉测量精准等优点，解决了现有测量方法的不足。

Description

一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置

技术领域

本公开涉及直流电场的测量技术领域，尤其涉及一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置。

背景技术

近年来我国直流输电工程建设快速发展，直流输电线路周围的电磁环境问题越来越引起人们的关注。当工人长时间暴露在强电磁环境下时，会有一定的身体不适或慢性疾病的症状。直流电场的准确测量对减少因电磁环境引起的矛盾、法律纠纷和保障附近居民身体健康有重要的意义。

目前，对直流电场的测量方法主要有两种，一种是利用电光效应原理，一种是利用静电感应原理。电光效应法主要利用原晶体在电场作用下会改变折射率，使通过晶体的偏振光改变偏振态，从而检测出、入射晶体光线的光强变化即可求得晶体上所感应的空间电场强度，其不足之处是光学晶体的机械加工精度要求很高，易受温度等的影响。静电感应法一般采用旋转探测电极的方法，将空间直流电场在探测电极上感应得到的电荷信息调制成交流信号。但是，此测量方法需要传感器进行振动或者旋转的机械运动，存在引出的信号不稳定，同时，由于环境的影响使探头的转速不稳定，易造成测量误差和测量困难。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供了一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置，以解决上述技术问题。

本实用新型提供了一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置，包括电场测量探头、高速模拟开关、信号放大器、信号发生器、处理器和显示终端，所述高速模拟开关的输入端分别与所述电场测量探头的上极板和下极板电连接，所述高速模拟开关的输出端与所述信号放大器电连接，所述高速模拟开关的控制端与所述信号发生器电连接；所述处理器的输入端与所述信号放大器的输出端电连接；所述处理器的输出端与所述显示终端的输入端无线连接。

优选的，所述处理器的输出端与所述显示终端的输入端通过蓝牙或WiFi连接。

优选的，所述高速模拟开关绝缘阻抗大于10¹⁶欧姆。

优选的，所述高速模拟开关包括a通道和b通道，所述电场测量探头分别与所述a通道的输入端和所述b通道的输入端连接；所述信号放大器的反向输入端和同向输入端分别与所述a通道的输出端和所述b通道的输出端电连接。

优选的，所述电场测量探头为一维球型金属探头、二维球型金属探头、三维球型金属探头和盒型金属探头中的一种。

本申请的有益效果如下：

针对现有技术问题，本实用新型利用高速模拟开关将电场测量探头各极板间的感应电压调制成交流信号，无需经过探头做旋转、震动机械运动，依靠模拟开关即可将直流信号电调制为交流信号，采用高速模拟开关消除了后续电路零漂和及间耦合等问题，实现直流电场的测量。采用高速模拟开关可以快速实现链路切换、无机械触点、使用寿命长、具有易于制作、成本低廉测量精准等优点，解决了现有测量方法的不足。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种传感器标定曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

针对现有的技术问题，本申请提供一种可以快速实现链路切换、无机械触点、使用寿命长、无需经过探头做旋转、震动机械运动、具有易于制作、成本低廉测量精准的基于高速模拟开关调制空间直流电场的测量装置。

请参考图1，所示为本申请实施例提供的一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置的结构示意图。由图1可见，本实施例提供了一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置，包括电场测量探头1、高速模拟开关2、信号放大器3、信号发生器4、处理器5和显示终端6，所述高速模拟开关2的输入端IN分别与所述电场测量探头1的上极板11和下极板12电连接，所述高速模拟开关2的输出端OUT与所述信号放大器3电连接，所述高速模拟开关2的控制端与所述信号发生器4电连接；所述处理器5的输入端与所述信号放大器3的输出端电连接；所述处理器5的输出端与所述显示终端6的输入端无线连接。

本实施例中，所述高速模拟开关2具有2个通道，具有低功耗、速度快、体积小、可传输数字信号和模拟信号的特点，其绝缘阻抗高达10¹⁶欧姆以上。所述信号放大器3包括适用于所有交流信号的放大器(如差分放大器)，本实施例中，所述信号放大器3的反向输入端和同向输入端分别与高速模拟开关2的a、b通道开关的输出端连接；所述电场测量探头1分别接高速模拟开关2的a、b开关的输入端；所述处理器5的输入端与信号放大器3的输出端连接，输出端与显示终端6连接。所述高速模拟开关2、信号放大器3、处理器5可安装在仪器箱7内，高速模拟开关与电场测量探头1之间存在有一定距离，因此，电场测量探头1的各极板感应的电信号需要通过屏蔽线与高速模拟开关的各通道连接，以免对直流电场的测量结果造成影响。所述处理器5为具有信号采集、通信、数据处理和A/D转换功能的嵌入式系统。所述显示终端6是能够通信、显示图像、数值的设备包括手机、电脑、平板，它与处理器5可通过蓝牙、WiFi连接，当然也可通过有线方式电连接。

所述电场测量探头1为一维球型金属探头、二维球型金属探头、三维球型金属探头和盒型金属探头中的一种。本实用新型实施例采用球型探头，其厚度为0.2mm，半径为30mm，材质为铜材料。将一中空的金属球壳分成两部分，通过绝缘物质将其连接在一起，构成电容传感器，形成上极板11和下极板12。

所述电场测量探头1包括光学电场传感器和电学电场传感器，具有线性度好、灵敏度高、体积小的特点。光学电场传感器的作用原理如下：(1)利用对电场特殊反应的晶体材料，当压电晶体在电场域中受到外加电场作用时，晶体发生机械形变(如伸长或缩短)，将晶体形变转化为光信号的调制并检测光信号，实现电场的光学测量。(2)特殊晶体在电场作用下会改变折射率，使通过晶体的偏振光改变偏振态。因而检测出、入射晶体光线的光强变化即可求得晶体上所感应的空间电场强度。

电学电场传感器的作用原理如下：处于电场中的导体传感器表面会产生感应电荷，再根据测量电场的不同频率，设计相应的传感器结构和取样电路，将感应电荷转换成与待测电场强度有一定对应关系的电流或电压信号，对信号进行分析，就可测得电场强度。

信号发生器4为能够产生三角波、锯齿波、矩形波、方波、正弦波的信号发生器；高速模拟开关2起信号切换的功能，模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入和输出端可互换，当控制端施加高电平时，开关导通，当控制端施加低电平时开关截止，给模拟开关的控制端施加一个方波信号，实现开关周期性地导通与截止，从而得到调制的交流信号。

设上极板11和下极板12间距为d，置于待测电场E中，电场测量探头(1)的测量方向和电场方向E一致，两极板间感应得到的电压信号为u，该信号经调制和滤波放大处理后最终输出方波信号电压复制为V，总增益系数为K，则E＝u/d，V＝k·u,E＝V/k·d，其中，K为标定系数，通过国标的标定装置标定得到，标定装置是平行板。通过监测方波信号的幅值V，就可以得到待测电场强度E。请参考图2，所示为本申请实施例提供的一种传感器(内置于电场测量探头内部)的标定曲线。由图2可见，其标定系数为：340V/m，通过对实际测量曲线进行分析得到其量程为±360kv/m,测量误差为5％，且传感器输出值与直流电场强度成正比。

本实用新型提供的基于高速模拟开关的直流电场的测量装置的工作流程如下：

步骤1：将测量探头置于直流电场中，所述直流电场的测量点电场线与所述测量探头的轴线方向一致，通过所述测量探头的上极板和下极板获得感应电压；

步骤2：通过屏蔽线将所述测量探头的各极板与高绝缘模拟开关电连接；

步骤3：使用信号发生器向所述高速模拟开关的控制端施加周期性信号；

步骤4：所述高绝缘模拟开关的控制端识别所述周期性信号的电平状态，并根据所述电平状态控制所述高绝缘模拟开关的导通或截止；

步骤5：将所述高绝缘模拟开关输出的调制交流信号进行放大；

步骤6：处理器采集放大后的所述交流信号并进行信号处理，并将处理后的数据传送给显示终端。

针对现有技术问题，本实用新型利用高速模拟开关将电场测量探头各极板间的感应电压调制成交流信号，无需经过探头做旋转、震动机械运动，依靠模拟开关即可将直流信号电调制为交流信号，采用高速模拟开关消除了后续电路零漂和及间耦合等问题，实现直流电场的测量。采用高速模拟开关可以快速实现链路切换、无机械触点、使用寿命长、具有易于制作、成本低廉测量精准等优点，解决了现有测量方法的不足。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上仅是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于高速模拟开关的直流电场的测量装置，其特征在于，包括电场测量探头(1)、高速模拟开关(2)、信号放大器(3)、信号发生器(4)、处理器(5)和显示终端(6)，所述高速模拟开关(2)的输入端分别与所述电场测量探头(1)的上极板(11)和下极板(12)电连接，所述高速模拟开关(2)的输出端与所述信号放大器(3)电连接，所述高速模拟开关(2)的控制端与所述信号发生器(4)电连接；所述处理器(5)的输入端与所述信号放大器(3)的输出端电连接；所述处理器(5)的输出端与所述显示终端(6)的输入端无线连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器(5)的输出端与所述显示终端(6)的输入端通过蓝牙或WiFi连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高速模拟开关(2)绝缘阻抗大于10¹⁶欧姆。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高速模拟开关(2)包括a通道和b通道，所述电场测量探头(1)分别与所述a通道的输入端和所述b通道的输入端连接；所述信号放大器(3)的反向输入端和同向输入端分别与所述a通道的输出端和所述b通道的输出端电连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电场测量探头(1)为一维球型金属探头、二维球型金属探头、三维球型金属探头和盒型金属探头中的一种。